熱拌再生瀝青混合料路用性能影響分析

作者簡(jiǎn)介：

林國(guó)杰（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章為探究不同因素對(duì)熱拌再生瀝青混合料路用性能的影響及影響程度，選擇再生劑摻量、RAP摻量、級(jí)配及油石比作為自變量，以動(dòng)穩(wěn)定度、構(gòu)造深度為響應(yīng)變量，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行四因素三水平試驗(yàn)，對(duì)每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇最佳水平組合，并進(jìn)行常規(guī)路用性能試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：對(duì)高溫性能影響大小依次為RAP摻量gt;級(jí)配gt;再生劑摻量gt;油石比；對(duì)抗滑性能影響大小依次為RAP摻量gt;級(jí)配gt;再生劑摻量gt;油石比；利用極差、方差、灰關(guān)聯(lián)分析得出響應(yīng)變量綜合最佳因素組合水平為A1B3C3D1，即再生劑摻量為2%、RAP摻量為40%、級(jí)配為3#、油石比為4.4%，并對(duì)該水平進(jìn)行了常規(guī)路用性能驗(yàn)證，結(jié)果均滿(mǎn)足技術(shù)要求。

道路工程；再生瀝青混合料；正交試驗(yàn)；灰關(guān)聯(lián)；路用性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 A 14 043 4

0 引言

隨著道路建設(shè)的快速發(fā)展，修建瀝青路面所使用的瀝青和集料消耗量巨大，導(dǎo)致道路資源枯竭。因此，利用再生材料修建瀝青道路已成為當(dāng)前道路建設(shè)的重要方向之一［1］。

在再生瀝青路面的發(fā)展過(guò)程中，再生劑的應(yīng)用較為普遍。高新文等［2］分析了生物油再生瀝青粘結(jié)劑的自愈合機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不同老化時(shí)間下瀝青粘結(jié)劑的自愈合時(shí)間存在差異。閆正和等［3］以性能接近SBS改性瀝青為指標(biāo)，對(duì)再生瀝青混合料進(jìn)行了路用性能測(cè)試，確定了生物油的最佳摻量。毛銳［4］通過(guò)對(duì)五種級(jí)配的路用性能測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得出了抗滑性能較好的級(jí)配范圍。紀(jì)傳麟等［5］利用不同粗細(xì)級(jí)配的SMA-13瀝青混合料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)粗級(jí)配瀝青混合料的抗滑性能優(yōu)于細(xì)級(jí)配。也有學(xué)者研究不同RAP摻量對(duì)路用性能的影響，通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)，得出了基于路面性能的最佳RAP摻量［6-7］。

綜上所述，現(xiàn)階段研究并未將多因素對(duì)熱拌再生瀝青混合料路用性能的影響進(jìn)行綜合分析。本文旨在研究不同因素對(duì)熱拌再生瀝青混合料路面性能的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行室內(nèi)路用性能試驗(yàn)，并利用極差、方差分析和灰關(guān)聯(lián)分析評(píng)估再生劑摻量、RAP摻量、級(jí)配及油石比對(duì)再生瀝青混合料路面性能的影響程度。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

（1）瀝青：本研究選用70#瀝青，并回收現(xiàn)場(chǎng)舊瀝青，將舊瀝青、新瀝青及不同比例的再生劑進(jìn)行混合。調(diào)和瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

從表1可知，已經(jīng)使用了6年的瀝青路面，回收的舊瀝青嚴(yán)重老化，為了重新利用舊瀝青，需要摻加再生劑。在摻加不同比例的再生劑后，與新瀝青進(jìn)行調(diào)和，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本滿(mǎn)足要求，可滿(mǎn)足使用要求。

（2）再生劑：再生劑選用將廢油經(jīng)熱化學(xué)處理后得到的生物油。對(duì)使用的再生劑進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

（3）礦料：對(duì)回收的舊瀝青、新集料（石灰?guī)r）和填充料進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果都滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JT GF 40-2004）［8］要求，可用于再生瀝青混合料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次試驗(yàn)研究中，使用70%的新瀝青和30%摻加不同比例再生劑的再生瀝青，礦料級(jí)配由RAP與新礦料組成，RAP摻量為其占再生集料混合料的百分比。參考以往的研究，本次試驗(yàn)中選定摻量在24%～40%，以每8%為間隔，設(shè)置三個(gè)水平，并通過(guò)調(diào)整各檔料的通過(guò)率獲得三個(gè)級(jí)配。摻量配合比結(jié)果如表3所示，其中級(jí)配1#較細(xì)，級(jí)配2#為中間級(jí)配，級(jí)配3#較粗。

為分析不同因素對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，在室內(nèi)進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，測(cè)試高溫穩(wěn)定性及抗滑性。參考過(guò)往研究及工程實(shí)際，以再生劑摻量、RAP摻量、級(jí)配及油石比為影響因素，以動(dòng)穩(wěn)定度和構(gòu)造深度作為響應(yīng)變量。經(jīng)過(guò)確定自變量與響應(yīng)變量后，得出正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表4所示。

2 結(jié)果分析

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了9組不同因素水平搭配組合試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

2.1 極差分析

Ki表示不同因素水平的結(jié)果平均值，R表示極差。如果某一因素的極差值越大，則說(shuō)明該因素對(duì)響應(yīng)量的影響程度越大。各響應(yīng)量不同因素水平極差分析結(jié)果如表6所示。

由表6可知，四個(gè)因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度影響程度最為顯著的是RAP摻量，其極差值為1 146；然后依次為級(jí)配、再生劑摻量、油石比，其極差值分別為207、171、92。RAP摻量對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響程度明顯高于其他三個(gè)影響因素，這是因?yàn)镻AR中的舊瀝青經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間環(huán)境與車(chē)輛的荷載作用，發(fā)生老化，導(dǎo)致瀝青的軟化點(diǎn)升高，使瀝青變粘，勁度增大，從而使混合料的動(dòng)穩(wěn)定度升高，高溫性能得到改善，混合料具有更高的穩(wěn)定性。級(jí)配對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響為集料之間的嵌擠穩(wěn)定性，級(jí)配越粗，集料之間的嵌擠穩(wěn)定性越好，動(dòng)穩(wěn)定度越高。再生劑與油石比對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響較小，因?yàn)闉r青用量對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響相對(duì)于RAP摻量、級(jí)配而言較小，且再生劑添加后得到的調(diào)和再生瀝青與新瀝青性能接近。

根據(jù)圖1可知，隨著再生劑摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度先上升再平緩降低，說(shuō)明再生劑摻量并不是越多越好，其調(diào)和瀝青性能會(huì)存在峰值；隨著RAP摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度也隨之增加，瀝青老化，黏度增大，抗變形性能升高，動(dòng)穩(wěn)定度升高；隨著級(jí)配變粗，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，粗級(jí)配嵌擠結(jié)構(gòu)良好，不容易發(fā)生變形；隨著油石比的增加，動(dòng)穩(wěn)定度先升高再降低，對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度而言，存在一個(gè)最佳油石比。

根據(jù)表6可知，對(duì)抗滑性能指標(biāo)構(gòu)造深度的影響程度最大的是RAP摻量，其極差值為0.067，接下來(lái)依此為級(jí)配、再生劑摻量和油石比，極差值分別為0.027、0.023、0.02。RAP摻量增加會(huì)導(dǎo)致混合料中總瀝青含量增多，混合料中填充的瀝青變多，因此構(gòu)造深度變?。煌?，隨著油石比的增加，填充物增多，也使得混合料的構(gòu)造深度變小。級(jí)配變大、構(gòu)造深度增大的原因是因?yàn)榇旨陷^多，整體性較強(qiáng)，細(xì)集料更容易移動(dòng)損失；而再生劑摻量越多，混合料中的油越多，同樣使得構(gòu)造深度降低。

由圖2可知，2%再生劑摻量的混合料構(gòu)造深度最大，8%再生劑摻量的構(gòu)造深度最小，隨著再生劑摻量的增加，構(gòu)造深度先降低；隨著RAP摻量的增加，構(gòu)造深度呈降低趨勢(shì)，24%RAP摻量的構(gòu)造深度最大，40%RAP摻量的構(gòu)造深度最小。這是由于RAP摻量越多，瀝青膠漿隨著增多，填充物多，構(gòu)造深度逐漸降低。隨著油石比的增加，構(gòu)造深度逐漸降低，油石比的增加使混合料的空隙減?。患?jí)配越大，構(gòu)造深度越大，抗滑性能越好。

2.2 構(gòu)造深度

利用方差分析進(jìn)一步驗(yàn)證。動(dòng)穩(wěn)定度方差分析如表7所示，構(gòu)造深度方差分析如表8所示。

由表7的動(dòng)穩(wěn)定度方差分析可知，影響程度依次為RAP摻量、級(jí)配、再生劑摻量、油石比，與極差分析結(jié)果相同。

根據(jù)表8的構(gòu)造深度方差分析結(jié)果，影響程度依次為RAP摻量、級(jí)配、再生劑摻量、油石比，與極差分析結(jié)果一致。

2.3 灰關(guān)聯(lián)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證各影響因素對(duì)因變量的影響程度，采用灰關(guān)聯(lián)分析理論計(jì)算各影響因素的關(guān)聯(lián)度，分別進(jìn)行正交試驗(yàn)結(jié)果區(qū)間化處理、求解差序列及兩極化，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度，從而得出各影響因素的顯著程度。動(dòng)穩(wěn)定度及構(gòu)造深度的灰關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果分別如表9和表10所示。

由表9可知，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響程度依次為RAP摻量gt;級(jí)配gt;再生劑摻量gt;油石比，與極差方差分析結(jié)果相同。

由表10可知，對(duì)構(gòu)造深度的影響程度依次為RAP摻量gt;級(jí)配gt;再生劑摻量gt;油石比，與極差分析結(jié)果相同，表明了分析的準(zhǔn)確性及可行性。

綜上所述，動(dòng)穩(wěn)定度越高說(shuō)明混合料的高溫性能越好，對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度最大的最佳因素水平組合為A2B3C3D2，即再生劑摻量為5%、RAP摻量為40%、級(jí)配為3#、油石比為4.7%；構(gòu)造深度越大，抗滑性能越好，對(duì)于構(gòu)造深度最大的最佳因素水平組合為A1B1C3D1，即再生劑摻量為2%、RAP摻量為24%、級(jí)配為3#、油石比為4.4%。可見(jiàn)兩個(gè)指標(biāo)的最佳因素水平組合并不相同，減少再生劑及油石比水平可減少經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，故選定再生瀝青混合料的最佳因素水平組合為A1B3C3D1，即再生劑摻量為2%，RAP摻量為40%，級(jí)配為3#、油石比為4.4%。

3 驗(yàn)證

對(duì)再生瀝青混合料的最佳因素水平組合A1B3C3D1根據(jù)規(guī)范進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗滑性能測(cè)試，以驗(yàn)證最佳因素水平組合的常規(guī)路用性能是否滿(mǎn)足要求。測(cè)試結(jié)果如表11所示。

從表11可知，最佳影響因素水平組合A1B3C3D1測(cè)試再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性能結(jié)果均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JT GF 40-2004）的要求，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性及重新將RAP應(yīng)用于瀝青路面修建的適用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文測(cè)試了不同因素對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，采用了四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以再生劑摻量、RAP摻量、級(jí)配、油石比為自變量影響因素，動(dòng)穩(wěn)定度和構(gòu)造深度為響應(yīng)變量，通過(guò)極差、方差，灰關(guān)聯(lián)分析得出響應(yīng)變量綜合因素組合水平，并對(duì)綜合組合水平進(jìn)行了常規(guī)路用性能驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)舊瀝青路面進(jìn)行回收，舊瀝青與新瀝青、再生劑調(diào)和后，可以達(dá)到新瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同因素水平組合進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度和構(gòu)造深度測(cè)試，利用極差、方差和灰關(guān)聯(lián)分析得出響應(yīng)變量綜合因素組合水平為A1B3C3D1，即再生劑摻量為2%、RAP摻量為40%、級(jí)配為3#、油石比為4.4%。

（3）對(duì)綜合水平組合A1B3C3D1進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗滑性能驗(yàn)證，驗(yàn)證指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度、構(gòu)造深度均滿(mǎn)足要求。

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收稿日期：2022-10-20